辐射与物质的相互作用
电磁辐射的特性,与物质的相互作用有哪些？
电磁辐射的特性，与物质的相互作用有哪些？
答：特征：波动性，微粒性。
作用：①吸收：物质分子吸收光子能量
②发射：物质分子收到辐射能，光能，电能热能等跃迁到激发态，再有激发态返回基态并以辐射能释放能量。
③散射：物质分子与光子发生弹性碰撞，方向改变，能量不变；
④拉曼散射：物质分子与光子发生非弹性碰撞，方向改变，能量交换；
⑤折射，反射：光辐射从一种介质1进入另一种介质2，一部分以一定角度回到介1，成为反射；另一部分以一定的角度折射进去介质2 。
电磁辐射电磁波和物质的相互作用
电磁辐射电磁波和物质的相互作用电磁波是由电场和磁场通过空间传播而形成的一种能量传递现象。
电磁辐射是指电磁波在空间中传播的过程。
电磁辐射在生活中无处不在，如无线通信、电视、手机、微波炉等都离不开电磁辐射。
但是，电磁辐射对人体和物质会产生一定的影响。
本文将探讨电磁辐射电磁波和物质相互作用的相关内容。
一、电磁波的特性及分类电磁波是由电磁场的震动所引起的能量传播现象。
根据频率的不同，电磁波可分为多个不同的类型，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
这些电磁波具有不同的特性，其对物质的相互作用也有所不同。
二、电磁辐射对物质的影响1. 热效应：高频电磁辐射会引起物质的加热效应。
例如，微波炉利用微波辐射来加热食物。
这是因为微波辐射的频率和水分子的振动频率相近，导致水分子受到激发而产生热量。
同样，太阳辐射也会引起物质的加热效应，影响气候和生态环境。
2. 光电效应：某些物质对可见光及紫外线辐射有光电效应的作用。
例如，光电效应是指当金属表面受到紫外线辐射时，电子从金属表面被激发出来形成光电流。
这一效应在光电池和照相机等设备中有广泛的应用。
3. 化学效应：一些物质对电磁辐射具有敏感性，可以引发化学反应。
例如，紫外线能够使皮肤产生黑色素，导致晒黑。
此外，紫外线还能够杀灭细菌，被广泛应用于消毒和杀菌处理。
三、电磁辐射对人体的影响电磁辐射对人体有一定的影响，特别是长期暴露在高强度电磁辐射下会对健康产生潜在风险。
常见的电磁辐射包括电视、手机、微波炉、电磁炉等。
它们所产生的电磁波会与人体的细胞和组织相互作用，可能引起一些健康问题。
高强度电磁辐射可能对生物的遗传物质DNA产生损伤，导致遗传变异和基因突变。
此外，长期接触电磁辐射还可能引起细胞增殖异常，导致肿瘤的发生。
然而，目前对于电磁辐射对人体健康的潜在影响仍存在争议，科学界也在不断进行研究以进一步了解电磁辐射对人体的影响机制。
四、减少电磁辐射的方法为了减少电磁辐射对人体产生的潜在影响，我们可以采取一些措施来降低电磁辐射的暴露程度。
辐射和物质的相互作用原理
辐射和物质的相互作用原理辐射是指从原子、分子或其他核心体中发射出去的能量。
辐射能量以电磁波的形式传播，包括可见光、紫外线、X射线、伽马射线等。
辐射和物质之间的相互作用是一种很常见的现象，而原子核射线治疗和核能技术、X射线检查等便是基于这种相互作用现象实现的。
辐射和物质的相互作用有很多种形式，其中较为常见的包括光电效应、康普顿效应、光子对撞、电离和激发等。
1. 光电效应光电效应指的是，当一束光照射到某种物质上时，会将其中的电子从原子中扯出来。
只有当光子能量大于某个临界值时，电子才能被释放。
这一现象在真空中气象、电场强度影响电子扰动等情况下都表现得非常明显。
光电效应在太阳能电池、粒子探测器和光电倍增管中都使用到了。
光电倍增管使用的是通过电子扰动向试管中注入能量的方式来产生光电子。
2. 康普顿效应康普顿效应是指辐射与介质（通常指物质）相互作用后，质子或者其他介质粒子可以被辐射能量带走的现象。
当X射线或伽马射线碰撞到物质中的原子核或者电子时，它会失去一部分能量并发生散射。
同时，活动的电子由于吸收了辐射，也有机会离开原子成为自由电子。
康普顿效应在医学上应用非常广泛，例如在肿瘤诊断、辐射治疗和X射线显示等方面都有应用。
3. 光子对撞光子对撞是因辐射和物质相互作用而产生的现象之一，包括光子与电子、光子与原子核、光子与氢原子等的相互作用。
当两个光子碰撞时，它们之间的能量会转移到电子或其他介质的离子中。
光子对撞主要应用于高能粒子的研究中，如对撞型区域全息成像、太阳近端日冕跃迁和黑洞成像等等。
4. 电离和激发当一种物质暴露在辐射中时，可能会电离或激发。
电离与激发是指辐射撞击物质后，物质中的原子分子发生了发射和受到注入能量而离子化的现象。
发生电离和激发的结果会对物质产生不同的作用，如电离现象越强，就会产生较多的自由电子和离子，从而影响物质性质，如聚变反应。
总之，辐射和物质的相互作用的原理是复杂多样的，其中包括光电效应、康普顿效应、光子对撞、电离和激发等。
辐射与物质的相互作用
辐射在自然界中无处不在，例如 太阳光、地球的天然放射性物质
等。
辐射的分类
电离辐射
具有足够的能量使原子或分子的电子 被剥离，形成带电的离子或激发态的 原子或分子。
非电离辐射
能量较低，不足以引起电离，如无线 电波、微波和可见光等。
辐射的性质
01
02
03
穿透性
某些类型的辐射能够穿过 物质，如X射线或伽马射 线。
分子与辐射的相互作用
要点一
分子吸收辐射
分子可以吸收特定波长的辐射能量，导致分子振动或转动 能级发生变化。
要点二
分子荧光和磷光
当分子吸收能量后，可能会以荧光或磷光的形式释放能量 。
固体与辐射的相互作用
热传导
固体吸收辐射能量后，通过晶格振动将能量 传递给相邻原子或分子。
光催化
某些固体材料在光的作用下可以催化化学反 应的进行，如光解水或光合作用等。
电子对生成
总结词
电子对生成是指高能光子与物质相互作用时，光子的能量被物质吸收，导致物 质中的电子和正电子对产生的现象。
详细描述
当高能光子与物质相互作用时，光子的能量可以被物质吸收。在电子对生成中， 光子的能量足够高时，会导致物质中的电子和正电子对产生。这一过程可以用 来解释高能光子在物质中的吸收和转化等现象。
包括防辐射服、手套、鞋等，用于减少辐射对 人体的伤害。
监测仪器
使用辐射监测仪器，定期检测工作环境和个人 的辐射剂量，以便及时采取防护措施。
培训和教育
加强辐射防护的培训和教育，提高公众对辐射危害的认识和自我保护意识。
THANKS
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要意义。
放射性示踪技术
总结词
利用放射性示踪技术可以追踪物质的运动和分布，广泛 应用于环境监测、化学反应研究等领域。
电磁辐射及其对物质的相互作用
电磁辐射及其对物质的相互作用电磁辐射，作为一种广泛存在于自然界中的物理现象，对物质的相互作用具有重要意义。
它的研究领域广泛，涉及到物理学、生物学、医学等多个学科。
本文将从不同角度探讨电磁辐射对物质的相互作用，包括其对生物组织、环境和物质结构的影响。
首先，电磁辐射对生物组织的影响是人们十分关注的一个方面。
近年来，随着无线通信技术的快速发展，人们在日常生活中接触到的电磁辐射不断增加。
因此，对电磁辐射产生的潜在危害进行研究成为一项重要任务。
研究表明，长期接触大功率电磁波辐射可能对人体健康产生一定的影响，如导致电离辐射所致的细胞DNA损伤、免疫功能下降等。
此外，电磁辐射还可能对生物体的生理活动产生干扰，例如改变人体内生物电流的传导。
因此，充分了解电磁辐射对生物组织的影响，对于保护人体健康具有重要意义。
其次，电磁辐射也对环境产生一定的影响。
空间中的电磁辐射来自于太阳和星际射电信号等多个源头。
这些电磁辐射不仅对地球的大气、水环境产生一定的影响，还会对动植物的生长和繁殖产生一定的影响。
例如，太阳辐射中的紫外线能够杀死水中的微生物，起到一定的消毒作用。
同时，电磁辐射还能够影响动物的迁徙、繁殖行为以及作物的生长发育。
因此，电磁辐射对环境的影响需要引起我们的重视和研究。
此外，电磁辐射还对物质的结构和性质产生一定的影响。
在材料科学领域，电磁辐射被广泛应用于材料合成和改性。
例如，电磁辐射可以通过改变材料中的结构和化学键来调控其性质。
在医学领域，电磁辐射在诊断和治疗方面也有重要应用。
例如，X射线被广泛应用于医学影像学，而电磁波的热效应则被用于肿瘤的治疗。
这些应用既体现了电磁辐射与物质相互作用的机制，也促进了材料科学和医学的发展。
总之，电磁辐射作为一种自然现象，对物质的相互作用具有重要意义。
它对生物组织、环境和物质结构产生着广泛而复杂的影响。
为了更好地探究电磁辐射与物质之间的相互作用，在今后的研究中，我们需要更深入地了解电磁辐射的性质和机制，同时也需要加强对电磁辐射对人体健康和环境的影响进行系统研究。
第1章电离辐射与物质相互作用
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2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程
在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev 的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦 力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。
（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹 性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量， 带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电 离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。
• 快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严 重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐 射）；（4）正电子或负电子的湮灭。
• 虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。 并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部 的能量，并显著改变自己的运动方向。
• 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但 辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时， 二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份 额很小，但这会引起严重的散射。
二、重带电粒子与物质的相互作用
• 在我们感兴趣的能量范围内（大约0.1Mev到20Mev）的重带电 粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变 化；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞 （卢瑟福散射）；（4）核反应。
Scattering s e in
Absorption a γ f
Total
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式γ射线是一种高能电磁辐射，具有穿透力强的特点。
它与物质的相互作用主要通过三种方式：康普顿散射、光电效应和正电子湮灭。
首先，康普顿散射是γ射线与物质中的电子相互作用的一种方式。
当γ射线遇到物质中的自由电子时，它会失去能量并改变方向，同时将一部分能量转移到电子上。
这种散射现象是由于γ射线光子的能量足够大，可以与电子发生碰撞，并将一部分能量转移给电子。
康普顿散射的过程中，γ射线的波长增加了，而散射后的电子也被赋予了动能。
康普顿散射的能谱可以用来测量物质中的电子浓度。
其次，光电效应是γ射线与物质中原子内部的电子相互作用的一种方式。
当γ射线能量足够高时，它可以与物质中的电子发生相互作用，将能量转移到电子上，使其脱离原子。
这种效应的产生与电子的束缚能有关，当γ射线的能量超过或等于电子的束缚能时，光电效应就会发生。
光电效应的能谱可以用来测量物质中的电子结构和束缚能。
最后，正电子湮灭是γ射线与正电子相互作用的一种方式。
正电子是反电子，具有正电荷。
当正电子与物质中的电子相遇时，它们会发生湮灭，并产生一对γ光子。
正电子湮灭过程中产生的γ光子有特殊的能谱分布，可以用来研究物质中的电子和正电子的相互作用。
除了上述三种方式，γ射线也可以通过康普顿散射和光电效应发生电子正电子对的产生，这是一种典型的能量转换现象。
在这种情况下，一部分γ射线的能量被转换成电子正电子对，而另一部分γ射线则保持原样。
这种现象在高能物理实验中经常被利用，用于测量γ射线的能量和动量分布。
综上所述，γ射线与物质相互作用的三种主要方式是康普顿散射、光电效应和正电子湮灭。
这些相互作用过程不仅在理论物理研究中具有重要意义，还在医学诊断和工业领域中有重要的应用。
通过理解和研究这些相互作用过程，我们可以更好地利用γ射线的特性，并开发出更多的应用。
电离辐射与物质的相互作用
第二章 电离辐射与物质的相互作用原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。
由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离；由不带电粒子通过它们与物质的相互作用产生带电粒子引起的原子的电离，称为间接电离。
由带电粒子、不带电粒子、或两者混合组成的辐射称为电离辐射。
电离辐射与物质的相互作用是辐射剂量学的基础。
本章讨论带电粒子、X （γ）射线与物质的相互作用过程，定量分析它们在物质中的转移、吸收规律。
第一节 带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质相互作用的主要方式相互作用的主要方式：（1）与原子核外电子发生非弹性碰撞；（2）与原子核发生弹性碰撞；（3）与原子核发生非弹性碰撞；（4）与原子核发生核反应。
（一）带电粒子与核外电子的非弹性碰撞当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时，入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。
如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。
如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级。
处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时放出特征X 射线或俄歇电子。
如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。
碰撞损失或电离损失：带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离和激发而损失的能量。
描述电离（碰撞）损失的两个物理量：线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power ）（用符号S col 或()col dE dl表示）和质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power ）（用符号()col S ρ或1()coldE dl ρ表示）。
线性阻止本领是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的能量，其SI 单位是，还常用到这一单位。
物质与辐射的相互作用
物质与辐射的相互作用物质和辐射是我们日常生活以及自然界中最基本的元素之一。
两者之间的相互作用则是物理学和化学领域中一个非常重要的研究方向。
在本次文章中，我们将深入了解物质与辐射之间的相互作用。
一、物质和辐射的基本概念物质是指构成宇宙万物的实体。
它们具有固体、液体和气体三种基本状态。
在物质中，原子和分子是最基本的构成单位。
辐射是指在空间中传播的能量，它们可以是电磁波、粒子流、声波等。
电磁波包含的频率范围很广，从无线电波到X射线都属于电磁波的一种。
粒子流如α、β、γ射线则是由电离辐射产生的。
声波被定义为机械波，它是由物质振动而产生的。
二、电磁波与物质的相互作用在物质中，电磁波与物质的相互作用不仅取决于辐射的性质，也取决于物质的性质。
物质的电子云对于电磁波的传播是一个重要的参考系。
在电磁波通过物质时，它们被分散、反射或吸收。
几个基本的现象包括反射、透射和折射。
当电磁波被反射时，它们撞击到物质的表面并被弹回。
在透射时，电磁波穿过物质，并沿着原来的方向继续传播。
当电磁波被物质折射时，它们改变传播方向，并使波长变短。
除此之外，因为物质的电子云可以吸收电磁波，所以电磁波的频率和能量也会影响到吸收现象。
像红外线、紫外线和γ射线等密集能量的电磁波可以被物质吸收。
例如，近红外辐射可以被水吸收，紫外线则可以被DNA吸收，这些现象都是基于物质与辐射相互作用的基本原理。
三、粒子流与物质的相互作用粒子流，如α、β、γ射线，是由电离辐射产生的。
因为它们具有更高的能量和较大的质量，所以它们与物质的相互作用也是不同的。
α射线是由α粒子组成的，它们在物质中的相互作用是基于它们的高能量和大质量的。
例如，当α射线穿过物质时，它们与物质中的原子核相撞并转移部分能量。
这些相互作用会导致α射线的离子化，并造成辐射损伤。
β射线具有不同的能量和速度，因此它们与物质的相互作用也具有不同的规律。
在高能β射线通过物质时，它们产生电离并改变了物质中电子的轨道。
电磁辐射与材料的相互作用
阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量 增高，原子处于激发状态。 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层， 称L激发，其余各层依此类推。
特征X射线的产生机理
产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足 eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK ，VK 称之临界激发电压。 处于激发状态的原子有自发回到 稳定状态的倾向，此时外层电子 将填充内层空位，相应伴随着原 子能量的降低。原子从高能态变 成低能态时，多出的能量以X射 线形式辐射出来。 因物质一定，原子结构一定，两 特定能级间的能量差一定，故辐 射出的特征X射波长一定。
.1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验
X射线最早的应用
在X射线发现后几个月医生就 用它来为病人服务
李鸿章在X光被发现后仅7个月就 体验了此种新技术，成为拍X光片 检查枪伤的第一个中国人。
右图是纪念伦琴发现X射线 100周年发行的纪念封
X射线的性质
• 人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体 电离，使照相底片感光，能穿过不透明的 物体，还能使荧光物质发出荧光。 • X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生 偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 • X射线对动物有机体（其中包括对人体）能 产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细 胞。
3．特征X射线谱
特征X射线的产生：
若管电压增至某一临界值(称激发电压)使撞击靶 材的电子具有足够能量时，可使靶原子内层产生 空位，此时较外层电子将向内层跃迁产生辐射即 特征X射线． 特征X射线光子能量(相应的频率及波长)取决于 跃迁前后能级差．
特征X射线的产生机理
特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字 母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子 在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较 高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。
电磁辐射及其与物质相互作用(光谱分析)
2.按物质与辐射能的转换方向(能级迁移方向)
吸收光谱：
M h 吸收辐射能量 M * 吸收光谱
基态 光
激发态
✓例：原子吸收光谱，分子吸收光谱
发射光谱：
M * 发光释放能量 M h 发射光谱
激发态
基态 光
辐射（能量）￫
透明 介质
吸收辐射 基态激发态
不吸收辐射 透射，散射， 反射，折射
第二节光学分析法分类 1.按物质与辐射能相互作用时物质内部
是否发生能级跃迁
光谱法—当物质与辐射能相互作用时，物质内部发生 能级跃迁，利用由能级跃迁所产生的辐射强度随波长 （或相应单位）的变化（即光谱），进行定性定量和 结构分析的方法。
6.2(ev)
3．电磁波谱：
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
核反应
内层电子
外层电子
原子核 自旋
振动-转动 分子转动
电子光谱
小
波长
大
能量
分子光谱
大 小
NMR光谱
二、电磁辐射与物质的相互作用
电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、 吸收、散射、反射、折射、干涉、衍射、偏振 等。
第一节 UV-Vis 法基本原理和概念
分子吸收光谱的产生
辐射能量≠能级差—辐射不被吸收 电磁辐射→物质
辐射能量＝能级差—能级跃迁
能级跃迁（分子吸收光谱）
电子能级（n）跃迁（紫外－可见光引起） 振动(v)及转动(J)能级跃迁（红外光引起） 核自旋能级跃迁（磁场中，无线电波引起）
分子能级跃迁示意图 4
3
2
核辐射探测复习知识点
第一章辐射与物质的相互作用与物质相互作用:1.带电粒子与靶原子核的核外电子非弹性碰撞(电离,激发)2.带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞(辐射损失)3.带电粒子与靶原子核弹性碰撞(核阻止)4.带电粒子与核外电子弹性碰撞电离损失能量:入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞使靶物质原子电离或激发而损失的能量(电离:核外层电子客服束缚成为自由电子,原子成为正离子激发:使核外电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态)辐射损失能量:入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞以辐射光子损失能量轫致辐射:入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用使带电粒子的速度和方向改变,并伴随发射电磁辐射阻止本领:单位路径上的能量损失S=-dE/dx=S ion+S rad重:S=S ion=(1/4πε0)2(4πz2e4/m0v)2NBBethe公式结论:1.电离能了损失率和入射带电粒子速度有关,质量无关2.和电荷数平方z2正比3.S ion随粒子E/n变化曲线:a段:入射粒子能量E较低时, S ion与z2成正比,曲线上升b段(0.03MeV-3000MeV):相对论项作用不显著, S ion与E成反比,曲线下降c段:能量较高时,相对论修正项起作用, S ion与B成正比,曲线上升4.高Z 和ρ物质阻止本领高布拉格曲线:随穿透距离增大而上升,接近径迹末端,由于拾取电荷而下降。
同样能量的入射带电粒子经过一定距离后,各个粒子损失的能量不会完全相同,是随机性的,发生了能量离散,即能量歧离. 射程歧离:单能离子的射程也是涨落的为何峰值上升?因为部分粒子已经停止运动,相当于通道变窄,剩余粒子能量集中,导致峰值上升.沿x方向,能量降低,离散程度变大,峰值降低.射程R带电粒子沿入射方向所行径的最大距离路程:实际轨迹长度解释各种粒子的轨迹:重带电粒子质量大,其与物质原子的轨道电子相互作用基本不会导致运动方向有偏差,径迹几乎是直线:由于次级电离,曲线会有分叉:质子和α粒子粗细差别:能量提高,径迹变细.电子的径迹不是直线,散射大. 射程R正比于m/z21.v同两种粒子同物质R1/R2=m1/m2*（z2/z1）22.v同一种粒子两物质R a/R b=√A a/√A b *(ρb/ρa)α粒子空气射程R0=0.318Eα1.5R=3.2*10-4√A/ρ*R air比电离:带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数δ射线:带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的具有足够能量可以进一步电离的电子电子S rad/S ion=EZ/800快电子S rad正比于z2E/m2*NZ2屏蔽电子材料:当要吸收、屏蔽β射线时,不宜选用重材料:当要获得强的X射线时,选用重材料做靶.电子反散射及效应:电子由原入射方向的反方向反射回来,从入射表面射出.对于放射源,反散射可以提高产额:对于探测器,会产生测量偏差. When反散射严重:对于同种材料,入射电子能量越低反散射越严重:对同样能量的入射电子,原子序数越高的材料,反散射越严重光电效应:光子把全部能量转移给某个束缚电子,使其发射出去而光子本身消失的过程.是光子和整个原子的作用结果,主要集中在内层电子,还会有俄歇电子或特征X射线.(为何不与自由电子-因为入射光子有部分能量传递给原子,使其发生反冲,否则能量不守恒)采用高Z材料可提高探测效率,有效阻挡γ射线:γ光子能量越高,光电效应截面σph 越小. 入射光子能量低时,光电子趋于垂直方向发射:入射光子能量高时,光电子趋于向前发射.康普顿效应:γ射线和核外电子非弹性碰撞,入射光子一部分能量传递给电子,使之脱离原子成为反冲电子,光子受到散射,运动方向和速度改变,成为散射光子. 散射角θ=180时即入射光子和电子对心碰撞,散射光子沿入射光子反方向射出,反冲电子沿入射方向射出-反散射.能量高的入射光子有强烈的向前散射趋势,低的向前向后散射概率相当.康普顿坪:单能入射光子所产生反冲电子的能量为连续分布,在能量较低处反冲电子数随能量变化小,呈平台状:康普顿边缘:在最大能量处,电子数目最多,呈尖锐的边界.峰值Ee=hν-200keV电子对效应:当入射光子能量较高,从原子核旁边经过时,在库伦场作用下转换成一个正电子和一个负电子.电子对效应出现条件:hν>2m0c2=1.022MeV 电子和正电子沿入射光子方向的前向角度发射,能力越高,角度越前倾. 湮没辐射:正电子湮没放出光子的过程.实验上观测到511kev的湮没辐射为正电子的产生标志单双逃逸峰:发生电子对效应后,正电子湮没放出的两个511keV的γ光子可能会射出探测器,使得γ射线在探测器中沉积的能量减小.低能高Z光电,中能低Z康普顿,高能高Z电子对.线形衰减系数μ=σγN 质量衰减系数μm=μ/ρ质量厚度x m=ρx平均自由程: 表示光子每经过一次相互作用之前,在物质中所穿行的平均厚度λ=1/μ 宽束N=N0Be-μd窄束I(x)=I0e-μx半减弱厚度:射线在物质中强度减弱一半时的厚度D1/2= λ ln2第二章气体探测器信息载流子:气体(电子离子对w=30eV,F=0.2-0.5)闪烁体(第一打拿极收集到的光电子w=300ev,F=1)半导体(电子空穴对w=3ev,F=0.1 )平均电离能:带电粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量电子和离子相对运动速度:电子漂移速度为离子1000倍,约106cm/s雪崩:电子在气体中碰撞电离的过程. 条件:足够强的电场和电离产生的自由电子非自持放电:雪崩只发生一次自持放电:通过光子作用和二次电子发射,雪崩持续发展R0C0<<1/n脉冲(电子T-<<R0C0n<<T+、离子R0C0n>>T+)、R0C0>>1/n累计(电流、脉冲束)1.仅当正离子漂移时外回路才有离子电流i+(t)2.正离子从初始位置漂移到负极过程,流过外回路电荷量不是离子自身的电荷量e,而是在正极感应电荷量q1 电子电流i-(t)同理本征电流i(t)=i+(t)+i-(t) q1+q2=e电离室构成:高压极,收集极,保护极和负载电阻工作气体:充满电离室内部的工作介质,应选用电子吸附系数小的气体.圆柱型电子脉冲原理:利用圆柱形电场的特点来减少Q-对入射粒子位置的依赖关系,达到利用”电子脉冲”来测量能量的目的.能量分辨率η=ΔE/E*100%=Δh/h*100%=2.36ΔE能谱半高宽FWHM=ηE=2.36=2.36σ探测效率:入射到脉冲探测器灵敏体积内辐射粒子被记录下的百分比总输出电荷量Q=N*e=E/W*e脉冲电离室饱和特性曲线:饱和区斜率成因:灵敏体积增加,对复合的抑制,对扩散的抑制饱和电压V1-对应90%饱和区的脉冲幅度放电电压V2工作电压V=V1+(V2-V1)/3 坪特性曲线:描绘电离室计数率和工作电压关系成因:甄别阈不同电压小于V1时在符合区,但不是每个粒子都能形成一个电子离子对.仅少数可达到计数阈值h,V0上升至饱和电压后电子离子对N基本不变分辨时间(死时间):能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔时滞:入射粒子的入射时刻和输出脉冲产生的时间差累计电离室工作状态要求输出信号的相对均方涨落V I2≈1/nT<<1 V V2≈1/2R0C0n<<1 饱和特性曲线斜率:灵敏体积增大,复合的抑制,漏电流灵敏度η=输出电流或电压值/射粒子流强度(采用多级平行电极系统可提高) why曲线后部分离:部分电子离子对复合,未达到饱和电压,引起输出电流信号偏小正比计数器是一种非自持放电的气体探测器,利用碰撞电荷讲入射粒子直接产生的电离效应进行放大,使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大输出电荷信号主要由正离子漂移贡献r处场强E(r)=V0/rlnb/a V T=ET*alnb/a 只有V0>V T才工作于正比工作区,否则电离室区气体放大倍数A=n(a)/n(r0)A仅于V0V T有关,与入射粒子位置无关气体放大过程(电子雪崩)当电子到打距极丝一定距离r0后,通过碰撞电离过程电子数目不断增加电子与气体分子碰撞过程中碰撞电离,碰撞激发(气体退激发射子外光子,阴极打出次级电子,次级电子碰撞电离) 光子反馈:次级电子在电场加速下发生碰撞电离A t=A/1-γA 光子反馈很快;加入少量多原子分子气体M可以强烈吸收气体分子退激发出的紫外光子变成M*,后来又分解为小分子(超前离解) 气体放大过程中正离子作用:1.停止电子倍增2.再次触发电子倍增(离子反馈)输出信号:1.电流脉冲形状一定,与入射粒子位置无关,电压脉冲为定前沿脉冲2.响应时间快3.R0C0>>T+时,获得最大输出脉冲幅度ANe/C0分辨时间/死时间τD与脉冲宽度正比,τD内产生的脉冲不会被记录造成计数损失,死时间可扩展. m=n/1-nτD m真实n测量时滞:初始电子由产生处漂移到阳极时间时间分辨本领:正比计数器对时间测量的精度正比计数器坪特性曲线斜率:由于负电性气体、末端与管壁效应等,有部分幅度较小的脉冲随工作电压升高而越来越多地被记录下来GM放电过程:1.初始电离和碰撞电离:电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩 2.放电传播(光子反馈):Ar*放出紫外光子打到阴极上打出次级电子 3.正离子鞘向阴极漂移,形成离子电流4.离子反馈:正离子在阴极表面电荷中和缺点GM死时间长,仅计数A t=A/1-γA自持放电:阴极新产生电子向阳极漂移引起新的雪崩,从而在外回路形成第二个脉冲,周而复始.-实现自熄:改变工作高压,增加猝熄气体-有机(阻断光子,离子反馈;工作机制:1.电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩过程 2.Ar*放出紫外光子被有机气体分子吸收3. 正离子鞘向阴极漂移实现电荷交换4.有机气体离子在阴极电荷中和),卤素(工作机制:1.电离过程靠Ne的亚稳态原子的中介作用形成电子潮2.Ne*退激发出光子在阴极打出电子,或被Br2吸收打出新点子3.正离子鞘Br+向阴极漂移4.Br+在阴极表面与电子中和超前解离)GM管和正比计数器区别:GM输出信号幅度和能量无关,只能计数,死时间非扩展型死时间校正:m=n(mτD+1)GM坪特性曲线坪斜成因:随工作电压增高,正离子鞘电荷量增加,负电性气体电子释放增加,灵敏体积增大,尖端放电增加死时间t d:电子再次在阳极附近雪崩的时间复原时间t e:从死时间到正离子被阴极收集,输出脉冲恢复正常的时间分辨时间t f:从0到第二个脉冲超过甄别阈的时间GM计数管离子对收集数N与工作电压关系图:1.复合区(电压上升,复合减少,曲线上升)2.饱和区(电荷全被收集)3.正比区N=N0M(碰撞电离产生气体放大,总电荷量正比于原电荷量)4.有限正比区N>>N0(M过大,过渡区)5.盖格区(随电压升高形成自持放电,总电离电荷与原电离无关,几条曲线重合)第三章闪烁体探测器优点:1.探测效率高,可测量不带电粒子,对于中子和γ光子可测得能谱2.时间特性好,可实现ns的时间分辨工作过程：射线沉积能量,电离产生荧光,荧光转换为光电子,光电子倍增,信号流经外回路闪烁体探测器组成:闪烁体,光电倍增管,高压电源,低压电源,分压器和前置放大器分类:无机闪烁体(无机盐晶体,玻璃体,纯晶体),有机闪烁体(有机晶体,有机液体闪烁体,塑料闪烁体)气体闪烁体(氩、氙)无机闪烁体发光机制:入射带电粒子可以产生电子空穴对,也可以产生激子(相互转化) 有机闪烁体发光机制:由分子自身激发和跃迁产生激发和发光气体闪烁体发光机制:入射粒子径迹周围部分气体被激发,返回基态时发射出光子产生电子空穴对需要三倍禁带宽度能量光能产额Y ph=n ph/E=4.3*104/MeV 闪烁效率C ph=E ph/E=13%闪烁光子传输和收集通道:反射层,光学耦合剂,光导反射层:把光子反射到窗:镜面反射和漫反射耦合剂(折射系数较大的透明介质,周围介质折射系数n1,闪烁体n0,全反射的临界角θc=sin-1n1/n0):排除空气,减少由全反射造成的闪烁光子损失光导:具有一定形状的光学透明固体材料,连接闪烁体和光电倍增管,有效地把光传输到光电转换器件上:具有较高折射系数,与闪烁体和光电转换器光学接触好. 光电倍增管PMT:把光信号转换为电信号并放大;由入射窗,光阴极,聚焦电极,电子倍增极(打拿极,次级电子产额δ=发射的次级电子数/入射的初级电子数),阳极和密封玻璃外壳组成.光谱效应:光阴极受到光照射后发射光电子的几率为波长的函数量子效率Q k(λ)=发射电子数/入射光子数光阴极的光照灵敏度S k=i k/F S a=i a/F S a=g c*M*S k第一打拿极的电子收集系数g c=第一打拿极收集到的光电子数/光阴极发出的光电子数PMT的电流放大倍数M=阳极收集到的电子数/第一打拿极收集到的电子数飞行时间(渡越时间)te:一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间渡越时间离散Δte为te的分布函数的半宽度闪光照射到光阴极时,阳极输出信号可能不同-原因:1.光阴极的灵敏度在不同位置不同2.光阴极不同位置产生的光电子被第一打拿极收集的效率不同解决:1.改进光阴极均匀性 2.改进光电子收集均匀性 3.利用光导把光电子分散在整个光阴极输出信号:闪烁体发出闪烁光子数n ph=Y ph E 第一打拿极收集到光电子数n e=n ph T 阳极收集到电子数n A=n e M 输出电荷量Q=n A e=Y ph TMe电压脉冲型工作状态R0C0>>τ优:脉冲幅度大缺:脉冲前沿后沿慢电流脉冲型工作状态R0C0<<τ优: 脉冲前沿后沿快缺:脉冲幅度小小尺寸闪烁体:仅吸收次级电子的能量,大尺寸闪烁体:吸收全部次级电子、次级电磁辐射能量中尺寸闪烁体:吸收次级电子能量,可能吸收次级电磁辐射能量;康普顿边沿与全能峰之间连续部分-多次康普顿散射造成-康普顿效应产生的散射光子又发生康普顿效应;单逃逸峰-正电子湮没辐射时产生的两个511keV的湮没光子一个逃逸而另一个被吸收,双逃逸峰-两个光子都逃逸;全能峰-对应γ射线能量的单一能峰第四章半导体探测器本征半导体:理想的纯净半导体,价带填满电子,导带无电子禁带宽度硅300K-1.115ev 0K-1.165ev锗300K-0.665ev 0K-0.746ev 电子空穴密度硅n=p=2*1010/cm3锗n=p=2.4*1013/cm3半导体探测器分类:均匀型,PN结型,PIN结型,高纯锗HPG,化合物半导体,雪崩半导体,位置灵敏半导体半导体探测器的优点:1.非常好的位置分辨率 2.很高的能量分辨率3.很宽的线形范围4.非常快的响应时间Si:适合带电粒子测量,射程短Ge:纯度高,可以做成较大的探测器:可用于γ能谱测量掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子,叫做N型半导体:掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴,叫P型半导体补偿效应:当p>n,N型转换为P型半导体p=n时完全补偿平均电离能特点:1.近似与入射粒子种类和能量无关,根据电子空穴对可推入射粒子能量 2.入射粒子电离产生的电子与空穴数目相等 3.半导体平均电离能约3eV,远小于气体平均电离能30eV 陷落和复合使载流子减少半导体探测器材料特性:长载流子寿命(保证载流子可被收集),高电阻率(漏电流小,结电容小)PN型半导体:适合测量α粒子这类短射程粒子,不适合测量穿透力强的射线势垒高度V0=eN d W2/2ε宽度W=(2εV0/eN d)1/2=(2εV0ρnμn)1/2PIN半导体:温度升高,Li+漂移变快;Li+形成PN结,Li+与受主杂质中和,实现自动补偿形成I区(完全补偿区,耗尽层,灵敏体积),形成PIN结why半导体PN结可作为灵敏区？1.在PN结区可移动的载流子基本被耗尽,只留下电离了的正负电中心,具有高电阻率 2.PN结上加一定负偏压,耗尽区扩展,可达全耗尽,死层极薄,外加电压几乎全部加到PN结上,形成高电场 3.漏电流小,具有高信噪比高纯锗:一面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质形成N区,并形成PN结,另一面蒸金属形成P+作为入射窗,两端引出电极第五章辐射探测中的统计学f(t)=me-mt t=1/m σt2=1/m2第六章核辐射测量方法符合事件:两个或以上在时间上相关的事件真符合:用符合电路选择同时事件反符合:用反符合电路来消除同时事件,当一个测量道没有输入信号时,另一道的信号才能从符合装置输出符合道计数率nc=Aεβεγ偶然符合:在偶然情况下同时达到符合电路的非关联事件引起的符合(偶然计数n rc=2τs n1n2) 电子学分辨时间τe=FWHM/2符合计数n c=n co+n rc 真偶符合比R=n co/n rc=1/2τs A电压工作状态脉冲幅度⎺h=Ne/C0 E=Κ1⎺h+K2=Gx+E0 G0增益E0零截α能量分辨率FWHMs=2.36√FEαW0探测器选择α:金硅面垒半导体探测器、屏栅电离室、带窗正比计数器β:半导体探测器、磁谱仪γ:单晶γ谱仪全能峰E f=Eγ单Es= Eγ-511keV双E d= Eγ-1022keVy(i)=y(I p)exp[-(i-I p)2/2σ2] η=FWHM/I p FWHM=2.36σ峰康比p=全能峰的峰值/康普顿平台的峰值半导体峰总比f p/T=特征峰面积/谱总面积第七章中子探测反应堆周期T:反应堆内中子密度变化e倍所需时间平均每代时间τ:上一代中子的产生到被吸收后又产生新一代中子的平均时间K=堆内一代裂变中子总数/堆内上一代裂变中子总数T=τ/K-1反应堆功率测量系统功能:为反应堆提供工况控制信息(控制方面),为反应堆的安全保护系统提供安全保护信号(安全方面)中子测量方法:核反冲法,核反应法,核裂变法,活化法中子能谱测量方法：核反应法,核反冲法,飞行时间法中子探测器原理:通过中子与核相互作用产生可被探测的次级粒子并记录这些刺激粒子探测过程:1.中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性2.在某种探测仪表记录这些带电粒子或放射性中子探测器种类:1.气体探测器(BF3正比计数管,涂硼正比计数管,长计数管,平行板电离室,圆柱形电离室,γ补偿电离室,长中子电离室)2.固体探测器(硫化锌快中子屏,硫化锌慢中子屏,含锂闪烁体,有机闪烁体)堆芯外仪表:核仪表系统(2个源量程测量通道2个中间量程测量通道4个功率量程测量通道),提供信号,提供控制信号,监测功能堆芯内仪表:堆芯裂变电离室,涂硼室,γ温度计.自给能探测器堆芯中子注量率测量系统:驱动装置,组选择器,路选择器,中子探头。
辐射与物质的相互作用
照射量下降百分数(%)
0 22 47 80
使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚 度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
楔形或 梯形滤 过板
4. X (γ)射线在物质中的衰减
I I 01e
光 子 数
1 x
I 02e
2 x
I 0 ne
n x
单能X线 连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律 (2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照 射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组 织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口 放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分， 使平均能量增高。
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 脂肪(×102) 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 肌肉(×102) 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 骨骼(×102) 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918
电离辐射与物质的相互作用
电离辐射与物质的相互作用电离辐射是指能够使原子或分子中的电子从原子或分子中脱离并形成带电离子的辐射。
通常包括电磁辐射（如X射线和γ射线）和粒子辐射（如α粒子和β粒子）。
电离辐射与物质的相互作用是一个复杂的过程，涉及辐射的性质以及物质的成分和结构等因素。
电离辐射与物质的相互作用主要包括电离、激发和散射等过程。
在原子或分子中，辐射与物质相互作用时，如果能量足够高，就能够将物质中的电子从其原子或分子中脱离出来，形成带电离子。
这个过程称为电离。
实际上，辐射在与物质相互作用时不仅能够将电子从物质中脱离，还能够激发物质中的电子，使其跃迁到更高的能级。
这个过程称为激发。
此外，辐射还会与物质中的原子或分子进行散射。
散射过程中，原子或分子的运动方向和能量都会发生变化。
这些相互作用过程的发生与辐射的性质有关。
例如，对于电磁辐射而言，能量越高，电离和激发的概率就越大。
因此，γ射线的电离和激发能力要比X射线强。
而对于粒子辐射而言，电离和激发的能力与所带电荷数和质量相关。
例如，α粒子由于带有2个正电荷，其电离和激发能力要比β粒子强。
物质的成分和结构也会影响电离辐射与物质的相互作用。
不同的物质由于其不同的成分和结构，对电离辐射的吸收和散射能力有所不同。
一般来说，密度越大、原子或分子数越多的物质对电离辐射的吸收能力越强。
同时，原子或分子之间的相互作用力也会影响电离辐射与物质的相互作用。
例如，对于固体而言，原子或分子之间的束缚力比较强，因此固体对电离辐射的吸收和散射能力要比气体大。
电离辐射与物质的相互作用不仅在核能技术、医学诊断和治疗等领域起着重要作用，还对环境和人体健康产生一定的影响。
高剂量的电离辐射对生物体可以造成显著的伤害，包括细胞的损伤和遗传物质的变异等。
因此，对于电离辐射的安全使用和防护问题，有必要进行深入的研究。
总之，电离辐射与物质的相互作用是一个复杂而重要的研究领域。
通过研究电离辐射与物质的相互作用过程，可以更好地理解辐射的基本性质以及其在各个领域的应用和影响。
电离辐射与物质的相互作用
第1章 电离辐射与物质的相互作用辐射可分为电离辐射和非电离辐射。
频率在16310×Hz 以下的辐射，如红外线、可见光、紫外线等，其光子能量hv 很低，不能引起物质电离，这类辐射叫非电离辐射；凡是能直接或间接使物质电离的一切辐射，统称为电离辐射（Ionizing Radiation ）。
电离辐射是由带电的电离粒子，或者不带电的电离粒子，或者前两者的混合组成的任何辐射。
电离辐射包括能使物质直接电离的带电粒子（如α粒子、质子、电子等）和能使物质间接电离的非带电粒子（如频率大于16310×Hz 的光子、中子等）。
辐射剂量学、辐射屏蔽、辐射生物效应等都涉及电离辐射与物质的相互作用，电离辐射与物质相互作用时所引起的物理、化学、生物变化都是通过能量转移和吸收过程实现的。
1.1 带电粒子与物质的相互作用带电粒子的种类很多，最常见的有电子（指核外电子）、β射线（核衰变发射的高速电子）、质子（氢核）、α粒子（氦核），此外还有μ子、π介子、K 介子、Σ介子及其他原子核等。
在辐射防护领域，凡是静止质量大于电子的带电粒子，习惯上都称作重带电粒子。
最轻的重带电粒子是μ子，其质量为电子质量的206.9倍（表1-1）。
表1-1 一些常见粒子的基本特性 粒 子 种 类符 号 电 荷/e 质 量/m e 平均寿命/s 轻子 （负）电子正电子μ子中微子e ()−−β e ()++β ±μ ν −1 +1 1± 0 1 1 206.9 ≈0 稳定 稳定 2.26×10−6 稳定 介子 π介子0ππ± 1± 0 273.1 264.32.56×10−8 <4×10−6 K 介子 K ± 0K 1± 0 9679751.22×10−8 1.00×10−8 核子 质子 中子 P n +1 0 1836.121838.65稳定 1.04×10−3 重粒子 氘核 氚核 α粒子 d(D) t(T) α 1± 1± 2± 367054977294稳定 109 稳定 光子 紫外线 γ射线 X 射线γ X 0 0 0 00 1.1.1 带电粒子与物质相互作用的主要过程带电粒子与物质相互作用的过程是很复杂的，主要过程有：弹性散射、电离和激发、轫致辐射、湮没辐射、契伦科夫辐射、核反应（(,n)(p,n)(d,n)α、、等）、化学变化（价态、分解、聚合）等。
第二章 电离辐射与物质的相互作用
第二章电离辐射与物质的相互作用(2)第二节X（r）射线与物质的相互作用1、X（r）射线与物质相互作用的特点：1）不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子；2）与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量；3）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。
2、光子与物质的相互作用过程：1）主要过程：光电效应、康普顿效应、电子对效应；2）次要过程：相干散射、光核反应等。
一、光子与物质相互作用系数1、基本概念：截面，线性衰减系数，质量衰减系数，线能量转移系数，质量能量转移系数,质量能量吸收系数，半价层，平均自由程，有效原子序数2、线性衰减系数与截面之间的关系3、窄束、宽束光子线穿过靶物质时其强度衰减规律4、μ，HVL和l三者之间的关系5、μ/ρ，μen/ρ，μtr/ρ三者之间的关系二、光电效应1、光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，X（r）光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子），原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X线或俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程成为光电效应。
2、由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射光子能量和光电子的动能，满足关系式hv=Ee+ Bi，式中Bi为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。
3、K层和L层电子发生光电效应的概率最大，如果入射光子的能量大于K层电子结合能，则K层电子光电效应截面的80%以上。
4、（1）原子的光电效应总截面和光电线性衰减系数与原子序数Z的4—4.8次方成正比，光电质量衰减系数与Z的3—3.8次方成正比；（2）随着原子序数的增大，光电效应发生的概率迅速增大，也就是说，电子在原子中束缚的越紧即参与光电效应的概率越大；（3）三个作用序数均与光子能量的三次方成正比，随能量增大，光电效应发生的概率迅速减小。
第2章辐射与物质的相互作用
辐射阻止本领
1 dE ρ dl rad
mc2 << E << 137mc2Z-1/3 时：
1 dE K1 E + mc2 Z (Z + 1) 2 E + mc2 4 = × 4 ln − MeV ⋅ cm2 ⋅ g −1 ρ dl rad 2πMa mc2 137 mc2 3
(
)
(
)
E >> 137mc2Z-1/3 时：
K 1 E + mc 2 Z (Z + ζ ) 1 dE 183 2 × 4 ln 1 / 3 + = 2 mc Z 137 9 ρ dl rad 2π M a
(说明略)
(
)
MeV ⋅ cm 2 ⋅ g −1
23
总质量阻止本领＝碰撞阻止本领＋辐射阻止本领
S =S +S ρ ρ col ρ rad
8
1. 电离、激发和碰撞阻止本领
库仑相互作用 带电粒子 轨道电子
电离
激发
9
碰撞阻止本领 (S/ρ)col
线碰撞阻止本领
dE dl col
44
第 I 阶段：
原子的光电效应截面： （每个原子） hν<<m0c2时， σ τ ∝ Z 5 h1 ν hν>>m0c2时，
στ ∝ Z 5
7 2
单位：cm2
Z－介质的原子序数
1 hν
光电效应的几率与原子序数 Z5成正比； 光电效应的几率与光子能量hν或hν3.5成反比； 低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势； 光电效应主要发生在K层及L层电子。
光谱测试原理
光谱测试原理光谱测试是一种通过测量物质与电磁波相互作用的过程来分析物质的性质和成分的一种方法。
下面我们来详细了解一下光谱测试的原理。
一、光谱测试的几种基本原理在光谱测试中，我们主要应用了三种基本原理：1. 物质与辐射的相互作用原理：物质在受到辐射能量的刺激后，会吸收或发射部分能量，并呈现出一定的特征和规律性。
因此，我们可以通过检测物质与光的相互作用，来分析物质本身的特性和成分。
2. 分光原理：分光是把复杂的光谱信号分成不同频率的单色光信号的过程。
也就是说，通过将光谱信号按照不同波长进行分离，我们可以获得每一个波长上的光信号强度，从而进行物质特性和成分的分析。
3. 探测原理：探测是指将光信号转换为可读的电信号的过程。
在光谱测试中，我们需要将光信号通过光电传感器等探测器转换为电信号，以便进行记录和分析。
二、光谱测试的类型根据测量数据的不同，光谱测试可以分为以下几个类型：1. 吸收谱：这种测试方法是指将一束强光射入被测物质中，然后测量在不同波长下透过样品的光强度，从而分析样品中特定吸收峰的大小和位置。
吸收谱主要用于物质成分的分析和浓度的测定。
2. 发射谱：这种测试方法是指通过将物质激发出特定波长的光，测量在不同波长下物质辐射出的光谱强度，从而对物质的成分和结构进行分析和研究。
发射谱主要包括原子发射谱和分子荧光谱。
3. 散射谱：这种测试方法是指将一束光射入被测物质中，然后从样品中散射出来的光谱进行检测和记录。
散射谱几乎适用于所有类型的样品，它主要用于分析材料的结构、粒径大小和聚集状态等信息。
三、光谱测试的应用领域光谱测试广泛应用于以下领域：1. 化学分析：光谱测试可以通过检测分子中基团的振动和转动，来分析物质的结构和成分。
2. 材料科学：光谱测试可以帮助我们了解材料的物理和化学性质，以及材料结构和组成等信息。
3. 生物医学：光谱测试可以对生物分子、细胞和组织等进行分析，以便了解它们的结构、功能和代谢状态。
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4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
(1)、连续X线在物质中的衰减规律 I I1 I2 In
I
I e1x 01
I e2x 02
I enx 0n
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
(1) 连续X线在物质中的衰减规律 I I1 I2 In
.X (γ)
一 射 线 与 物 质 的 相 互 作 用
1、 X 线与物质相互作用的过程
Ⅰ. 光电效应
hf e
hf 1 mv 2 W
+
2
Ⅱ. 康普顿效应
hf hf ' Ee
+
e
Ⅲ. 电子对效应
hf
hf ’
Ze
e-
hf (mec2 E ) (mec2 E ) hf +
1/ 3
7.43
4. X (γ)射线在物质中的衰减
C、诊断放射学中X线的衰减
(2)、X线通过人体的衰减规律 以光电效应吸收为主
c1 Z 4 3
A
人体各组织器官X线的衰减各异，一般按骨 骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。 而随管电压(hf)增加衰减减小。
4. X (γ)射线在物质中的衰减
(3). 光电子的角分布
光电子的角 分布与入射X 光子能量有关
能量低 — 大角度分散
能量高 — 小角度集中
（电离方向）
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
(4). 放射诊断学中的光电效应
a. 优点 提高成像质量 因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾 利用造影剂可增加对比度 放疗时增加对肿瘤组织的剂量
5
100 1
99
9
91 88 12
4. X (γ)射线在物质中的衰减
射线在物质中的衰减 随距离衰减 物质所致衰减
I 1 cA2 2 (W/m2)
2
I1
PW
4r12
I2
PW
4r22
I1
r2 2
I2
r2 1
当X线通过物质时，由于光电效应、康普 顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度 衰减。即物质所致的衰减。
I
I e I e 1x 01
2x
02
I enx 0n
光
子 数
单能X线
连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
(2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照 射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组 织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口 放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分， 使平均能量增高。
4. X (γ)射线在物质中的衰减
b、附加滤过 包括附加滤过 板、遮光器的 滤过等。
根据衰减厚度 能量分布不同, 依具体情况选 择管电压和材 料形状厚度
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
滤过板厚度及对照射剂量的影响
铝板厚度(mmAl)
0 0.5 1.0 3.0
皮肤照射量(C/kg)
二、其他射线与物质的作用
1. β 射线与物质的作用
β射线即电子流，带有负电，其质量很 小，因此在运行中容易被其他电子所偏转， 所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其 径迹长度。在β 射线径迹的末端,电离密度 最大，这是由于此时电子能量已显著降低， 速度减慢, 与靶物质原子作用几率加大, 单 位距离内形成的离子对增多。
二、其他射线与物质的作用
1. β 射线与物质的作用
在临床上使用直线加速器发生的高能电子 流照射组织时，主要的电离作用产生在深 部，而 90Sr 放射源放出的 β 射线则在浅层 （1~2mm）引起最大电离作用。射程长短 取决于电子能量的大小。
二、其他射线与物质的作用
2. α 射线与物质的作用
α射线即氦核组成的粒子流，由2个质子 和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量 数为4，比电子质量大约8000倍。 α粒子在 组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只 几百微米。故α射线由外照射对机体不会产 生严重危害。
C.放射诊断学中三种作用发生的相对几率
表2 放射诊断学中作用几率与Z和hf的关系
X射线 水（Z=7.4)
能量 (KeV) 光电(%) 康普顿
(%)
骨（Z=13.8) 碘化钠（Z=49.8)
光电(%) 康普顿 光电(%) 康普顿
(%)
(%)
20 70 30 89 11 94
6
60 7
93 31 69 95
二、其他射线与物质的作用
2. α 射线与物质的作用
但发射α粒子的放射性核素进入体内时，由 于其物理特征，其电离密度较大，造成的 损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用 快中子或负π介子照射组织时，在组织中将 产生α粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
(2)、X线的滤过 a、固有滤过 包括X线管的玻璃管壁、绝缘 油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用 铝当量表示。 铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰 减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的 固有滤过在0.5 ~ 2 mmAl。
对软组织摄影则需要低滤过X线,以增加软组织对比度.
e+
1.02Mev E E
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
(1).光电效应特征 放出光电子的原子变成正离子并处
于激发态；外层电子向内层填充产生 特征X线;特征线离开原子前又击出外 层(俄歇)电子.
光电效应的次级粒子 光电子、正离子、特征X光子、俄 歇电子
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
注: 康普顿效应的散射线，是X线检查中最大 的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引 起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施.
Ⅲ. 电子对效应
hf 1.02Mev E E
效应发 生几率
m nZ 2 ln hf
2、X线与物质作用的其他过程
A. 相干散射
射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散 射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产 生的劳厄斑就是相干散射现象.
A、单能X线在物质中的衰减规律
(2)、宽束X线在物质中的衰减规律
积累因子: 某物质元 中X光子计数率与未 碰撞物质的X光子计 数率之比 B。
B N Nn Ns 1 Ns
Nn
Nn
Nn
Ns:物质元散射X光子计数率
B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量
宽束X线的衰减规律 I BI0ex B可以通过台劳级数展开近似计算求得 B 1 x
反冲电 子动能
散射角 与反冲 角关系
hf
hf
'
1
2hf m0c 2
sin2
2
Ee
1
hf
m0c2
2hf sin2
/
2
ctg
(1
hf moc 2
)tg
2
(hf
' )min
hf
1
2hf m0c2
( Ee )max
hf 1 m0c2
2hf
(3).散射光子和反冲电子的角分布
相干散射是唯一不产生电离的过程。
B.光核作用
光子与原子核作用发生核反应的过程。比如 释放中子、质子、β粒子和γ光子等。光核作 用在X线诊断过程中不能发生，在放疗中发生 率也很低。
3、各种作用发生的相对几率
A.X线引发效应总结
普通散射
光核作用
3、各种作用发生的相对几率
B.Z和hf与三种作用的关系
3、各种作用发生的相对几率
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV)
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
脂肪(×102)
0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724
有效原子序数的近似公式为
1
Z
a1 Z14 a1 Z1
a2
Z
4 2
a2Z2
an
Z
4 n
anZn
3
ai为第i种元素原子在分子中的原子个数，Zi为第i种 元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1，氢原子
个数为2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序
数为
Z
2 14 1 84 21 1 8
辐射与物质的相互作用
§ 1、辐射与物质的作用类型及能量损失 § 2、电离辐射的生物学作用 § 3、生物靶的调节作用 § 4、影响电离辐射作用的主要因素
§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失
A.辐射与物质作用的种类 一. X（γ）射线与物质的作用 二. β 射线与物质的作用 三. α 射线与物质的作用 四. 中子与物质的作用 五. 带电重粒子与物质的作用
4. X (γ)射线在物质中的衰减
A、单能X线在物质中的衰减规律
(1)、窄束X线在物质中的衰减规律
4. X (γ)射线在物质中的衰减
lnI
I I0ex ln I ln I0 x lnI0
光子数表示则满足 N N0ex
x
光子数
减少但频 率不变！